机电一体化系统中传感器技术的运用研究

赵 亮

（辽宁装备制造职业技术学院，沈阳 110161）

0 引 言

科学技术的发展一直是国家和社会密切关注的重点，也是国家大力发展的重点方向之一，技术创新与完善更是一个需要长期研究探讨的重要课题。国家发展与社会进步都离不开科学技术，科学技术的创新与应用是一个国家、一个民族进步发展的重要基石。传感器技术具有智能化的特点，是机电一体化控制系统中最重要的一部分，被用于测量某种数据并按照一定的规则转化为同种类或者其他种类的数值传递给机电的其他部分，最终实现机电一体化控制。传感器技术在机电一体化控制系统中起着重要作用，就像人体的感觉器官一样，精准迅速地接收外界的信息，然后把接收到的信息完整准确地传入到控制系统中，促使机器人可以根据实际状况自主做出相应反应。传感器技术的功能也类似于人体中的神经系统，可以对接收的信号进行传输和分析，很大程度上保障了机电一体化控制系统的稳定性、灵活性与持续性。一旦传感器出现故障，那么控制系统在传递信息材料时将会出现一系列问题，最终导致系统故障与机电瘫痪。

1 传感器技术的应用现状

传感器技术是智能化系统中最具代表性的技术之一，在智能系统的世界中起到了重要的桥梁作用。机电一体化控制系统的自我检查、调节与控制都是基于传感器技术实现的，所以机电一体化控制系统的性能优越程度和运行速度是由传感器技术高低决定的。现如今传感器技术研究得到很大进展，集成化传感器的出现给机电自动化控制系统带来了新的力量，弥补了传统传感器体积大、重量大的缺点，凭借着更为轻巧的体积与良好的稳定性赢得了众多研究人员的喜爱。虽然传感器技术含量要求很高，但是本身的成本却很低，这一特点决定了其发展前景非常远大。传感器对外界环境检测物质极其敏感，可以快速捕捉到检测对象的信息与变化，为生产管理工作和环境检测提供有力的数据支持。机电自动控制系统利用传感器的特性来检测和管理自己的操作环境，确保控制系统平稳运行，避免错误操作发生，并在很大程度上节省资源,提升了结果的准确性。传感器的种类多种多样，功能也各不相同，每一种传感器都被广泛地应用到各种行业领域，例如传感器的自动门、烟雾报警器、电子秤和水位报警器等。随着科学技术和信息技术的不断发展创新，传感器技术也得到了飞速发展，应用不再局限于工业工程领域，已经成为了一项极其重要的信息技术，被广泛应用于各种行业，同时传感器技术还能够与其他科学领域的技术成果进行有机结合，创造开发出新型的装置和技术。智能传感器已经广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。因此传感器技术有着极大的发展前景，需要不同领域的科研人员共同钻研创新，促进其发展。

2 传感器技术在数控机床中的应用

数控机床是机电一体化控制系统中最核心的加工设备，具有精准度高、生产效率高等特点，获取感知机床部件的信息是实现数控机床的前提。因此传感器检测技术是工业机械制造过程中不可或缺的一部分，也是生产加工过程中的核心部分。在数控机床运转时需要利用传感器技术检测机床流水线的运转状况，主要检测的内容有机床位置、刀具与零件的间距、生产机床的震动及变形和速度等。在很多精细的加工工业中，很多精细的部分很难人工测量，这时就需要应用传感器检测技术进行精准地小单位测量。零件加工的精确度一直是制造产业的难点，传感器技术具有极高的精准度，能够检测生产过程中微小的变化，可以使用触摸传感器和小型光电非接触式光学位移传感器来检测部件的特定位置。在加工渐消面和尖细形状的零件时，需要通过刀具与砂轮对各种材料进行刀削打磨，很多脆弱的材料在刀削打磨过程中会出现破损、变形等问题，因此加工过程中应在刀具和砂轮上安装传感器，利用其强大的检测技术来感知并控制刀具与材料零件间的距离、角度以及加工速度，从而有效避免材料表面破损、变形以及刀具、砂轮过热失去加工功能，确保产品的优质性、完整性和表面的光滑性，提高加工零件的精细度。通过传感器检测技术可以有效减少生产偏差和生产过程中的位置偏移等，且工人还可以根据检测结果调整加工条件，保证加工过程的精细度，尽可能地提高产品质量。除此之外，可以使用光传感器精确地测量机床位置；在机床中监测所用的润滑油和液压系统的油量页面；工厂还会利用传感器技术监测出厂产品的质量。在机械制造产业中应用传感器技术，实现机电自动化控制，可有效减少人力物力，提高生产质量和效率。随着科学技术的不断发展，高科技传感器技术已应用于机械制造业，如扫描探针技术，促进了工业经济的蓬勃发展。

本文以电阻应变传感器测量数控机床中刀具切削力度为例，深入探讨机电一体化系统中传感器技术的运用。该系统主要基于电阻应变传感器实现测量，同时还具备信号放大器、多路开关、A/D转换器、单片机和显示装置等部件。在这些结构部件中，电阻应变传感器的功能是对数控机床中的刀具进行连续自动检测，对检测到的数据进行采集并转换；单机片主要是对系统核心进行集中控制，外围电路则是辅助单机片运行。电阻应变传感器是由电阻应变片和测量转换电路组成的，当电阻应变片感受到力时会产生相应的弹性变形，并通过变形转化为电阻值变化数据，通过测量电路使应变片上的应变与被测量的力成比例，从而实现对力的测量。在测量数控机床中刀具切削力时，测试人员通常把总力划分为3个垂直方向的力，即FZ、FX、FY。在Z、X、Y这3个方向都安装电阻应变传感器，并设计成八角环，在环的内壁应变节点处安装4个电阻应变片，主要目的是避免测量过程中的交叉干扰，提高灵敏度。当数控机床运转时，切削力通过运转工件传递到刀具上，再通过刀杆传递到八角环上，使电阻应变片发生相应变形，电阻值R也随之发生了变化，即（R±ΔR）。当电阻应变片被拉伸时，随着电阻丝变细，电阻值变大（R+ΔR），当电阻应变片被压缩时，随着电阻丝变粗，电阻值变小（R-ΔR)，由此可测出与车削力成正比的电信号。在测量电路中，4个桥臂的电阻分别为R1、R2、R3、R4，在A、C端施加一定的电压U时，B、D端的输出电压ΔU表示为：

因此当R1=R3=R2=R4时,电桥的输出电压ΔU=0,即电桥处于平衡状态。在平衡状态下，数控机床运转时，车削力使电阻值发生了变化，电阻R1、R2、R3、R4分别产生ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4的电阻变化，则输出电压为：

由此看出，在测量时需要保证相邻的电阻有相反的变化，相对的电阻应该产生相同的变化，这是遵循电阻应变片的接桥原则。为了保证测量结果的准确性，笔者设计测量电路时选取了等臂全桥的测量电路，即R1=R2=R3=R4，电路的输出电压为：

最后通过信号放大器、多路开关、A/D转换器等原件多电信号进行转换处理，通过单片机将实际的切削力的值在显示装置上显示出来。

3 传感器技术的未来发展方向

虽然我国传感器技术发展十分迅速，但仍然存在很多问题等待科研人员去解决。我国科研人员对传感器技术未来发展方向的把握并不准确，技术创新方向没有明确的定位，导致传感器技术发展受到了阻碍。传感器材料是传感器技术创新的一大重点，目前主要的发展目标努力与电子光学、生物科学、电子信息等学科相结合，开发出更敏感、更轻巧、更稳定以及信号传输更快的传感器材料。很多领域上应用传感器的地方都是人烟稀少的地方，人们经常忽略对其的维护管理，电力传输成为一个难点，如果专门为传感器设计一套支持电路，会产生极大的资源浪费，因此传感器材料是未来研究的重点课题。另一个发展方向为传感器集成化和多功能化，把多种不同功能的传感器集成一体，创新成为一种新型的可以同时检测多种信息的传感器；或者把传感器与多功能电路集成一体，使其具有多种探测功能。

4 结 语

在未来发展中，人们对传感器技术的稳定性、有效性、信息化和智能化的要求会越来越高，传感器集成化将是科研创新的重点。开发研制新型传感器材料是未来发展的重要方向，更敏感的材料可以大量减少传输时的能源消耗，为控制系统提供稳定持续的检测服务。